農(nóng)村小水電自動化控制技術(shù)現(xiàn)狀及分析

張巧惠，鄧小剛，楊春霞，李 偉，李 越

（中國水利水電科學研究院自動化所，北京 100038）

0 引言

農(nóng)村小水電作為重要的民生工程和可再生能源之一，受到國家的高度重視，是我國農(nóng)村和邊遠山區(qū)發(fā)電的主力。而目前，由于農(nóng)村水電大部分分布在廣大農(nóng)村地區(qū)和偏遠山區(qū)，建設(shè)年代較早或受投資的限制，存在建設(shè)標準低、設(shè)施老化、失修嚴重、自動化程度低、安全性不足等突出問題。加快農(nóng)村水電自動化改造，是實現(xiàn)水電管理精細化、現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，對于提高農(nóng)村水電安全性、提高發(fā)電效益，不斷提高貧困山區(qū)農(nóng)村用電水平，改善民生，促進農(nóng)村經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的作用。

通過廣泛查閱資料、實地考察、專家咨詢等方式，筆者對我國小水電自動化技術(shù)現(xiàn)狀作了深入調(diào)研，就目前小水電自動化技術(shù)存在的問題、當前技術(shù)水平和運行實際情況作了分析和總結(jié)，并結(jié)合筆者在水電廠自動化系統(tǒng)、無人值班/少人值守技術(shù)方面的長期經(jīng)驗，對研究開發(fā)適合于小水電的自動化控制系統(tǒng)總體解決方案，尤其是小水電一體化控制技術(shù)提出了建議和研究課題，目的是降低自動化設(shè)備的投資成本，提高機組安全運行水平，節(jié)省人員開支，降低運營成本，推動農(nóng)村小水電技術(shù)進步。

1 農(nóng)村小水電站自動化技術(shù)存在的主要問題

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，至2008年底我國農(nóng)村水電站大約有4.5萬座，需要技術(shù)更新改造的約有2.4萬座，總裝機約1800萬kW。因此農(nóng)村水電站技術(shù)改造，包括自動化改造任務(wù)艱巨、市場前景巨大。但是農(nóng)村水電站技術(shù)改造門檻較低，所以市場競爭比較激烈。目前農(nóng)村水電站技術(shù)改造主要面臨以下幾個主要問題。

1.1 性價比問題

由于農(nóng)村水電站的產(chǎn)權(quán)不明晰，以前的農(nóng)村水電建設(shè)專項貸款政策被取消，所以農(nóng)村水電站更新改造需要大量的投資，資金存在巨大缺口。這樣就要求農(nóng)村水電站技術(shù)改造設(shè)備具有良好的性價比。

1.2 運行管理問題

農(nóng)村小水電站的運行維護人員普遍技術(shù)能力相對較弱，需要加強培訓。自動化系統(tǒng)的易維護性、界面友好性、操作簡單等方面就更加重要。系統(tǒng)長期運行缺乏定期維護與保養(yǎng)等問題比較突出。

1.3 設(shè)備可靠性問題

由于投資資金有限、重視短期發(fā)電效益、輕視運行管理、不注重設(shè)備維護等原因，設(shè)備可靠性，尤其是自動化系統(tǒng)元器件產(chǎn)品的可靠性、性能、安全性、穩(wěn)定性等較低，存在安全隱患。

1.4 人員素質(zhì)問題

由于農(nóng)村水電站地處偏僻山區(qū)，環(huán)境較差，所以運行人員、維護人員的技術(shù)素質(zhì)普遍較低。有的水電站運行人員只有小學或初中文化程度，所以計算機、自動化技術(shù)基礎(chǔ)較差，給自動化設(shè)備的運行維護帶來一定困難。

2 農(nóng)村水電站自動化技術(shù)現(xiàn)狀

為深入調(diào)查了解小型、微型水電廠自動化系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀、自動化技術(shù)實際應(yīng)用水平、運行狀況，尤其是小水電自動化控制的一體化技術(shù)和集成化程度，筆者通過多種渠道的廣泛調(diào)查、收集信息，查閱相關(guān)資料、參加相關(guān)會議、進行專家咨詢等多種方式了解有關(guān)技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用情況，并先后多次組織來自于監(jiān)控專業(yè)、調(diào)速器專業(yè)、勵磁專業(yè)的技術(shù)人員在浙江進行了有關(guān)農(nóng)村小水電自動化系統(tǒng)的走訪和實地現(xiàn)場考察?？疾斓攸c既有水利部所屬國家科研機構(gòu)，又有專門從事小水電自動化設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)的有代表性的廠家，還有最近改造完成的自動化水平較高的小水電站。對相關(guān)技術(shù)和實際運行情況進行了深入細致的調(diào)查研究。通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前在新建的小水電低壓機組中，機組監(jiān)控、調(diào)速、勵磁、后備保護的一體化集成技術(shù)方面有新產(chǎn)品研發(fā)和實際的應(yīng)用案例，對于其他的新建或最近改造的小水電站，自動化控制技術(shù)大部分還是采用機組監(jiān)控、調(diào)速、勵磁、保護裝置相互獨立的系統(tǒng)。現(xiàn)將相關(guān)調(diào)研情況作較詳細的歸納和介紹。

2.1 小水電高壓機組自動化技術(shù)

我國浙江一帶的小水電資源非常豐富，在浙江建設(shè)了許多小型水電站。通過浙江省水利廳水電處了解到，臨安縣的青山水庫電站和水濤莊電站、安吉縣的鳳凰水庫電站和安城水電站在近一兩年完成了技術(shù)改造，自動化水平相對較高，在一定程度上代表了目前的小水電自動化技術(shù)水平現(xiàn)狀和趨勢，對這四家水電廠的自動化狀況進行了實地調(diào)研。

這4個水電站，均采用老式的獨立控制設(shè)備，勵磁、調(diào)速、保護等均為傳統(tǒng)的獨立設(shè)備，監(jiān)控采用PLC控制方式實現(xiàn)機組的自動化控制。通過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小水電自動化設(shè)備雖然造價相對較低，但相關(guān)設(shè)備并不少，僅控制部分就有：勵磁裝置、調(diào)速裝置、繼電保護、交流采樣裝置、溫度巡檢裝置、轉(zhuǎn)速測控裝置、同期裝置、監(jiān)控用的現(xiàn)地控制單元PLC設(shè)備、多臺監(jiān)控用上位機計算機設(shè)備等。監(jiān)控系統(tǒng)一般采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每臺機組配置一套PLC現(xiàn)地控制單元，上位機一般配置有主備操作員站、報警及打印服務(wù)工作站。在功能上一般較為簡單，通常不采用較復(fù)雜的冗余設(shè)備配置。但對于設(shè)備的可靠性要求并不比大中型機組低，加之南方水量充沛，全年機組運行時間長，且經(jīng)常滿發(fā)甚至超發(fā)，調(diào)研中就有一個電站超發(fā)10%運行，機組的安全可靠運行問題不容忽視。考慮到運行及維護人員技術(shù)水平問題，只有更為人性化和智能化、易于維護、可長期穩(wěn)定可靠運行的控制設(shè)備才能滿足小水電的需求。對該4個小水電廠調(diào)速器系統(tǒng)的調(diào)研結(jié)果如表1所示。

表1 浙江4個小水電站調(diào)速器系統(tǒng)配置情況

通過對杭州一家部級農(nóng)村電氣化研究單位走訪發(fā)現(xiàn)，對于高壓機組（指出線6.3 kV及以上的機組），一般是按照和大中型水輪機組一樣的常規(guī)設(shè)計，即開關(guān)柜、勵磁、調(diào)速、保護、監(jiān)控系統(tǒng)盤柜分開配置，采用相互獨立的自動化系統(tǒng)。

由此可見，對于小水電中的高壓機組，為保證設(shè)備的可靠性、安全性和高性能指標要求，大部分均采用監(jiān)控、勵磁、調(diào)速、保護相互獨立的自動化系統(tǒng)，只是設(shè)備配置和結(jié)構(gòu)相對簡單。

2.2 小水電低壓機組自動化技術(shù)

通過調(diào)研了解到，對于低壓機組（指容量800 kW以下，出線400 V的機組），采取較多的是一種簡單的“一機一屏”的配置，即斷路器和機組自動化控制回路放在一塊屏柜中，而勵磁、調(diào)速仍然分開配置。

筆者還調(diào)研走訪了幾家主要從事小水電自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)的公司。隨著電子技術(shù)的不斷進步，處理器速度、精度與性能的不斷提高，多種功能的合并成為可能，比如其中一家公司開發(fā)了四合一組合控制裝置，專門應(yīng)用于小型微型水電廠，是集勵磁調(diào)節(jié)、調(diào)速器電氣控制、發(fā)電機后備保護、測溫、測頻、同期、自動化控制等功能為一體的自動化裝置設(shè)備；該設(shè)備使得小水電控制系統(tǒng)硬件配置簡化、維護方便、造價低，可在成本較低的情況下實現(xiàn)較完善的多種自動控制功能，在投資有限的小水電市場有較強的價格競爭力；該自動化設(shè)備的成本隨機組類型及容量不同而變化，一臺機組配置一套該設(shè)備。

另一方面，一些學者從社區(qū)公共服務(wù)供給機制和模式研究方面提出自己的看法，呂芳、潘小娟通過分析合同外包、志愿服務(wù)與協(xié)同生產(chǎn)之間這三個模式的差異，得出基于公民互助的公共服務(wù)協(xié)同生產(chǎn)模式是建立于人們的互惠合作之上，這更適合當下中國的國情[5]； 蔣源提出了“輔導式生產(chǎn)”的概念，以廈門市思明區(qū)居家養(yǎng)老“安康計劃”為例，思明區(qū)政府主動搭建平臺，創(chuàng)新管理模式、供給機制、服務(wù)項目、融資方式等，吸收社會養(yǎng)老力量，引入市場機制提升養(yǎng)老服務(wù)效能，充分發(fā)揮服務(wù)主體多元化與運作機制多樣化的協(xié)同效應(yīng)。[6]

該四合一組合控制裝置（單元）硬件采用32位高速數(shù)字信號處理器（DSP）為CPU，集成了8路數(shù)字式溫巡、8路進水流量/渦殼壓力/水位/導葉開度等機組參數(shù)測量、機組電度計量、發(fā)電機后備保護、轉(zhuǎn)速測量、數(shù)字自動準同期、勵磁調(diào)節(jié)、調(diào)速器（操作器）控制等功能，提供基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通訊和RS485通訊接口，完成測量、操作、保護、順控、調(diào)節(jié)等全自動智能化控制。人機界面采用小型LCD顯示各種運行參數(shù)，并具有設(shè)置調(diào)節(jié)控制的功能。根據(jù)客戶要求和實際需求，該裝置實現(xiàn)模塊化組合設(shè)計。例如，在公司現(xiàn)場演示的一套自動化系統(tǒng)，為滿足可靠性和實時性要求，保障安全、穩(wěn)定、高速的機組控制需要，勵磁功能和其他功能分開，采用相互獨立的CPU，即勵磁單獨用一塊CPU板，監(jiān)控及其它功能采用另一塊CPU板，兩塊CPU板和其他I/O板放在同一4U高的機箱里，有兩個小液晶顯示屏顯示相關(guān)參數(shù)。

該種自動化裝置主要適用于小型、微型水電站低壓機組的自動化控制。目前該套自動化設(shè)備在非洲等海外國家的微型水電站有使用案例，但其運行效果和性能還需進一步調(diào)研，并需要接受時間的檢驗。對于小水電的高壓機組，從幾家廠商的調(diào)研情況來看，還是采用監(jiān)控、調(diào)速、勵磁、保護等相互獨立的分體式系統(tǒng)，以保證機組的安全可靠運行和監(jiān)視控制功能的實時性。

2.3 箱式整裝小水電站技術(shù)

從調(diào)研中了解到，2004年一家農(nóng)村小水電研究單位從澳大利亞引進箱式整裝小水電站，它是一座將所有的發(fā)電設(shè)備（包括水輪機、發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、機組控制保護系統(tǒng)及開關(guān)等設(shè)備）都集裝在一個金屬箱內(nèi)，并在工廠聯(lián)調(diào)完畢，實現(xiàn)無人值班的一體化電站。其優(yōu)點是：便于運輸和現(xiàn)場快速安裝，簡化水電站工程設(shè)計，減少廠房面積，縮短電站施工期等。該項目于2006年在浙江金華雙龍洞水電站（160 kW）投入運行。在消化吸收國外技術(shù)后生產(chǎn)了一套箱式水電站，在浙江巖坦水電站（320 kW）投入運行。但箱式水電站只適合于水頭高、轉(zhuǎn)速大、機組體積小的水電站。

3 小水電自動化技術(shù)特點

3.1 高壓機組自動化注重高性能

對于小水電中的高壓機組，其自動化系統(tǒng)絕大部分還是采用監(jiān)控、調(diào)速、勵磁、保護相互獨立的系統(tǒng)，以保證機組運行的安全性、可靠性及自動化系統(tǒng)的實時性、高性能。

3.2 低壓機組自動化注重高性價比

對于小水電低壓機組，根據(jù)實際情況，有選擇地將功能模塊進行組合設(shè)計，節(jié)約成本，提高性價比，在保證可靠性和高性能的同時，適當降低成本。一般的做法是將部分功能進行集成，但勵磁、調(diào)速、保護仍然分開配置。

3.3 微型低壓機組自動化注重降低成本

針對微型水電站的低壓機組，在保證安全可靠的同時，更注重降低成本，相對降低了對性能的要求。目前國內(nèi)研制生產(chǎn)的小水電自動化控制組合裝置，有了一些實際應(yīng)用的案例。其研發(fā)思路值得借鑒：監(jiān)控、調(diào)速、后備保護可以集成于一體，采用同一個CPU，以降低成本；勵磁采用單獨的CPU進行控制與調(diào)節(jié)，以提高可靠性與實時性。整個系統(tǒng)的可靠性、質(zhì)量、穩(wěn)定性和性能還有待進一步調(diào)研，尤其需要經(jīng)過長期運行實踐的檢驗，但其做法值得借鑒，通過研制統(tǒng)一的硬件平臺，監(jiān)控、調(diào)速、勵磁等各個部分在統(tǒng)一的硬件平臺上開發(fā)各自的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，研制出軟硬件都有自主知識產(chǎn)權(quán)的、高集成化產(chǎn)品。根據(jù)我國小水電目前發(fā)展狀況，小水電站數(shù)以萬計，只要產(chǎn)品價格有優(yōu)勢，質(zhì)量相對穩(wěn)定可靠，還是會有巨大市場的。

3.4 針對不同需求靈活組合設(shè)計獨特的產(chǎn)品

根據(jù)筆者所在公司在水電行業(yè)自動化系統(tǒng)、無人值班/少人值守技術(shù)、調(diào)速器、勵磁技術(shù)等方面的長期經(jīng)驗和技術(shù)積累，機組監(jiān)控和調(diào)速器的自動化控制，可以嘗試采用一體化控制或集成控制，如采用一套CPU或一套PLC進行數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)視與控制，在保證機組的安全、可靠、實時運行的同時，提高集成化程度，降低成本，提高性價比。這種方式還可省略監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)，節(jié)省數(shù)據(jù)交換通道，通過減少中間環(huán)節(jié)，提高整個系統(tǒng)的實時性、可靠性，在降低系統(tǒng)硬件成本的同時，還可降低系統(tǒng)集成與現(xiàn)場調(diào)試的成本。

4 今后的工作與課題

4.1 加快新產(chǎn)品研發(fā)

隨著電子、通信、計算機控制技術(shù)水平的不斷提高和元器件新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，小水電自動化控制技術(shù)也必將面臨著革新和挑戰(zhàn)。加大科技研發(fā)力度，加快新產(chǎn)品研發(fā)步伐，提高產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平，順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢，提高產(chǎn)品競爭力是企業(yè)生存發(fā)展的必然法則。針對水電廠實際情況，結(jié)合當前新技術(shù)新產(chǎn)品在速度、性能上的不斷完善與提高，可以試驗研究部分或全部功能的一體化控制或集成控制。

以目前的市場現(xiàn)狀、當前自動化技術(shù)水平和水電站需求，可開發(fā)的集成化自動控制設(shè)備或裝置模塊包括：調(diào)速、交流采樣、溫度巡檢、開入開出、轉(zhuǎn)速和頻率測控等，而勵磁、保護、同期裝置由于涉及到更為專業(yè)的知識和更高的可靠性、速度等性能指標要求，需配置相關(guān)專業(yè)的專門人員，投入大量的人力、物力和財力，并且從研發(fā)到產(chǎn)品成型需要一定的經(jīng)驗積累和長期的研發(fā)過程。目前市場上勵磁、保護、同期裝置相對獨立、技術(shù)相對成熟、產(chǎn)品集成度高、成型產(chǎn)品較多、產(chǎn)品性能相對穩(wěn)定可靠，因此，可選擇現(xiàn)有成型產(chǎn)品集成到自動化系統(tǒng)中，以減少研發(fā)投入。

若開展相關(guān)研發(fā)工作，應(yīng)先確定方案，統(tǒng)一總線結(jié)構(gòu)、通訊規(guī)約甚至處理器規(guī)格，統(tǒng)一硬件插板結(jié)構(gòu)，然后分專業(yè)、分模塊分別進行開發(fā)，在條件具備后合并為整體裝置，進行聯(lián)合測試、開發(fā)與完善。

4.2 降低電站成本造價

我國中小河流的水能是最廉價的動力，同時作為清潔能源之一，充分利用水力資源，開發(fā)小型、微型水電站是群眾的迫切要求。但因投資有限，小型電站設(shè)備要走系列化、集成化的道路，為降低造價創(chuàng)造有利條件。

4.3 加強技術(shù)指導

為了保證電站的安全和質(zhì)量，尤其要依靠當?shù)丶夹g(shù)人員，抓好培訓技術(shù)、加強技術(shù)指導工作。結(jié)合著訓練班的學習，采取以工地作課堂、以工程作教材、傳幫帶、廠商與用戶聯(lián)合開發(fā)等多種方法，提高運行人員的技術(shù)力量和運行維護水平。

4.4 提高電站的經(jīng)營管理水平

電站的經(jīng)營管理工作必須與建設(shè)同步跟上，才能修好一處，管好一處，使電站充分發(fā)揮效能，解決當?shù)貙嶋H問題和困難，提高綜合經(jīng)濟和社會效益。小電站在經(jīng)營管理上應(yīng)以生產(chǎn)為主，結(jié)合照明，統(tǒng)籌兼顧以小水電代燃料，提倡清潔能源利用與開發(fā)，開展多種經(jīng)營，使物盡其用。根據(jù)電站條件，制定必要的操作規(guī)程、管理章則，提高運行維護人員技術(shù)水平，以延長設(shè)備使用壽命，保證電站長期安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)語

我國農(nóng)村小水電市場前景廣闊，在自動化控制技術(shù)日新月異的今天，隨時掌握當前技術(shù)發(fā)展趨勢，根據(jù)市場需要，分析實際情況，及時調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，研發(fā)新產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，才能順應(yīng)發(fā)展潮流，在市場和技術(shù)上獲得領(lǐng)先，取得良好的社會和經(jīng)濟效益。

[1]徐錦才.農(nóng)村小水電站新技術(shù)的應(yīng)用 [J].農(nóng)村電氣化，2004，10：20-21.

[2]徐錦才，董大富，熊 杰.新型配套設(shè)備在農(nóng)村小水電站的應(yīng)用[A].2006年水力發(fā)電學術(shù)研討會論文集[C]，2006.

[3]農(nóng)村小水電自動化技術(shù)實地考察報告[R].北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，2011.